有機固體廢物處理處置與資源化技術
摘要:有機固體廢物通常是指含水率低于85%～90%可生化降解的有機廢物,它們一般具有可生化降解性。這些廢物中蘊含著大量的生物質能,有效利用這類生物質能源,對實現環境和經濟的可持續發展具有重要意義。
1 厭氧消化機理
20世紀30年代，厭氧消化被概括地劃分為產酸階段和產甲烷階段，即兩階段理論。70年代初Bryantlzgl等人對兩階段理論進行了修正，提出了厭氧消化的三階段理論，突出了產氫產乙酸菌的地位和作用。與此同時，Zeikuslao等人提出了厭氧消化的四類群理論，反映了同型產乙酸菌的作用。該理論認為厭氧發酵過程可分為四個階段，第一階段（水解階段）：將不溶性大分子有機物分解為小分子水溶性的低脂肪酸；第二階段（酸化階段）：發酵細菌將水溶性低脂肪酸轉化為H2、CH3000H、CH3CH2OH等，酸化階段料液pH值迅速下降；第三階段(產氫產乙酸階段)：專性產氫產乙酸菌對還原性有機物的氧化作用，生成H2、HCO3－、CH3COOH。同型產乙酸細菌將H2、HCO3－轉化為CH3COOH，此階段由于大量有機酸的分解導致 pH值上升；第四階段(甲烷化階段)：產甲烷菌將乙酸轉化為CH4和CO2，利用H2還原CO2成CH4，或利用其他細菌產生甲酸形成CH4。無論是三階段理論，還是四類群理論，實質上都是對兩階段理論的補充和完善，較好地揭示了厭氧發酵過程中不同代謝菌群之間相互作用、相互影響、相互制約的動態平衡關系，闡明了復雜有機物厭氧消化的微生物過程。
2 厭氧消化影響因素
2.1 底物組成：研究發現不同底物組成，其可生化降解性大不相同（5%～90%）。Borja等研究了不同底物組成和濃度的有機固廢的厭氧消化過程，認為在其他條件相同時沼氣產量相差很大，甚至達到65％。這個結果與Jokela等的研究所得基本一致。另外，底物組成不同,在發酵過程中的營養需求與調控也不同。對于像以秸稈為主的底物，須補充N源的營養，以達到厭氧消化適宜的C/N比。
2.2 溫度：有機固廢厭氧消化一般在中溫或高溫下進行,中溫的最佳溫度為35℃左右,高溫為55℃左右。Ghosh等利用厭氧消化處理垃圾衍生燃料(RDF)，對比了單相式和兩相式反應器的處理效果，發現在傳統單相式反應器中高溫(55℃)比常溫(35℃)消化的甲烷產量僅提高7％；RDF粒徑從2.1mm降至 1.1mm在中溫消化下對甲烷產量無明顯影響，但當反應條件轉變為高溫消化時甲烷產量可提高14％。高溫消化可以比中溫消化有更短的固體停留時間和更小的反應器容積。然而高溫消化所需熱量多,運行也不穩定。最近有研究表明厭氧消化在65℃時水解活性可進一步提高。還有將超高溫水解作為一個專門的反應器，對厭氧消化進行處理研究。高溫可以比中溫產能多，但高溫需要更多的能量，在實際情況中加熱所需的能量往往與多產出的能量差不多。雖然沼氣產量和生物反應動力學都表明高溫消化更有優勢，但理想的條件決定于底物類型和使用的系統情況。
2.3 pH值：產甲烷菌對pH值的要求非常嚴格，pH值的微小波動有可能導致微生物代謝活動的終止。在發酵初期由于產生大量有機酸，若控制不當容易造成局部酸化，延長發酵周期，進而破壞整個反應體系。研究發現pH值為6.6～7.8范圍內，水分含量為90%～96%時產甲烷速率較高；pH值低于6.1或高于 8.3時，產甲烷菌可能會停止活動。Salminen指出滲濾液回流與pH值調節相結合可以降低酸積累的抑制效應，加速消化降解速率。然而當系統中活性產酸菌和產甲烷菌數量較少時，回流滲濾液會引起VFA積聚。Clarkson和Xiao對廢報紙進行厭氧消化的研究發現，水解反應是其中限制性步驟，高濃度的丙酸鹽對其具有抑制作用。
2.4 攪拌：當消化底物為固態時，水解通常成為整個反應的限制性階段。很多經典文獻中強調了消化過程中應充分混和攪拌以促進反應器中酶和微生物的均勻分布。然而近年來有試驗表明降低攪拌程度可以提高反應器的效率。Vavilin V.A.研究常溫消化下攪拌強度的影響，試驗表明當有機負荷偏高時，攪拌強度加大會導致反應器運行失敗，低強度攪拌是消化過程順利完成的關鍵；當有機負荷偏低時，攪拌強度對反應無明顯影響。由此Vavilin V.A.提出攪拌阻礙反應器中甲烷區形成的假設，認為甲烷區的形成對抵抗酸化過程中產生的抑制起重要作用。在此基礎上他提出了均質柱形反應器的二維分布式模型（2D distributed models），模型基于以下假設：在維持產甲烷菌繁殖代謝處于較優水平的前提下，反應器中甲烷區所占空間存在一個最小值。通過對消化過程的模擬，認為有機負荷高時，反應初始階段甲烷區與產酸區在空間上分離是固廢物轉化為甲烷的關鍵因素，而初始階段甲烷區中生物量的多少則是這些活性區保留的決定性因素。此時如果高強度攪拌，甲烷區由于VFA的抑制作用會逐漸萎縮直至消失。然而當有機負荷偏低時，大部分甲烷區均能幸存并逐步擴大到整個反應器。
2.5 預處理：目前對固態厭氧消化底物的物理和化學預處理方法研究較多，對生物預處理的研究則較少。Peter等從高溫反應器中分離到能分解有機固體廢物的嗜溫微生物,用該微生物對污水污泥進行預處理,在1～2d內近40%的有機物被分解,而且與沒有經過該預處理相比,厭氧消化過程中沼氣產量提高 50%；Ejlertsson研究表明，在消化開始階段進行間歇曝氣能有效去除易降解的固廢，克服高濃度VFA帶來的抑制問題；Mshandete等研究了紙漿厭氧發酵系統中，啟動階段進行9h堆肥預處理后甲烷產量提高26%；Katsura和Hasegawa進行了類似的預處理研究，對污泥進行微好氧熱處理后甲烷產量提高50％。研究者認為高溫好氧菌分泌的胞外酶比一般蛋白酶在溶解污泥方面更具活性。
3 厭氧消化工藝
厭氧消化處理固體廢物，通過技術革新逐步形成了以濕式完全混合厭氧消化、厭氧干發酵、兩相厭氧消化等為主的工藝形式。
濕式完全混合厭氧消化工藝（即濕式工藝）的應用最早也最為廣泛。此工藝條件下固體濃度維持在15%以下，其液化、酸化和產氣3個階段在同一個反應器中進行，具有工藝過程簡單、投資小、運行和管理方便的優點。這種工藝條件下漿液處于完全混合的狀態，容易受到氨氮、鹽分等物質的抑制，因此產氣率較低。
厭氧干發酵又稱高固體厭氧消化，在傳統的厭氧消化工藝中固體含量通常較低，而高固體消化中固體含量可達到20%～35%。高固體厭氧消化主要優點是單位容積的產氣量高、需水量少、單位容積處理量大、消化后的沼渣不需脫水即可作為肥料或土壤調節劑。隨著固體濃度的加大，干發酵工藝中需設計抗酸抗腐蝕性強的反應器，同時還得解決干發酵系統中輸送流體粘度大以及高固體濃度帶來的抑制問題。
結語:我國目前在有機垃圾厭氧消化工程應用方面的研究很少，厭氧消化的研究主要集中在水處理方面。各種厭氧發酵工藝實際應用中所存在的最大問題是規模化運行的自動化程度較低，技術裝備差。因此，對厭氧消化的最佳生物轉化條件、生態微環境以及設計完善的過程控制系統等方面，還需要進一步深入研究，以達到最佳的處理效果。
參考文獻
[1]蔡振明 高愛忠 祁夢蘭.固體廢物的處理與處置[M].北京:高等教育出版社,1993.248-250.
[2]趙秦生 胡海南.新材料與新能源[M].北京:輕工業出版社,1987.425-455.
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